王欽

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

0 引言

五軸聯(lián)動數(shù)控機床比三軸機床多了2個旋轉軸，可以任意調整刀軸方向，因而在復雜零件的加工中具有很大優(yōu)勢?？梢约庸こ龈哔|量、更復雜的曲面，主要適用于飛機、模具、汽車、透平等行業(yè)的特殊加工。產品質量好，加工效率高，大幅降低了工藝、工裝的技術難度。目前五軸聯(lián)動數(shù)控機床已經國產化，在性價比方面比進口五軸機床具有很大優(yōu)勢。但是，國產五軸機床在控制系統(tǒng)的核心技術上面仍然處于起步和積累階段。其中五軸機床的RTCP聯(lián)動技術，就是國產五軸數(shù)控機床的短板。比如東汽葉片分廠采購的北京機電院的XKH800、XKH1600五軸機床的控制系統(tǒng)就不支持RTCP。沒有RTCP模塊支持，意味著數(shù)控程序就會受限于具體的機床結構和刀具長度，一旦更換了機床 （即使是相同型號）或者更換了刀具以及刀具出現(xiàn)了磨損，數(shù)控程序都需要重新后置處理。這不但降低了機床使用效率、耽誤了生產進度、而且還可能因為刀具長度的輸入錯誤造成產品報廢甚至撞機。因此研究如何在不升級機床硬件的情況下，實現(xiàn)類似RTCP的技術方案就成了一項很有經濟效益和能提升質量的課題。

1 五軸數(shù)控機床簡介及北機院 XKH系列機床結構分析

根據多軸數(shù)控機床是否具有RTCP功能進行分類。一種是不帶RTCP功能的多軸機床，另一種是帶RTCP功能的多軸機床。

（1）不帶RTCP功能的多軸機床

此類機床特征是擺動軸在做運動時，移動軸（X、Y、Z軸）無運動，轉動軸繞轉動軸線運動，如圖1所示。

不帶RTCP功能的情況下，控制系統(tǒng)不考慮刀具長度。刀具圍繞軸的中心旋轉。刀尖將移出零件外。該類機床的缺點是同樣一個零件，機床或者刀具換了，都必須重新進行后處理。并且操作工在裝夾工件時需要保證工件在其工作臺回轉中心位置。對操作者來說，意味著需要大量的裝夾找正時間，且精度得不到保證。

（2）帶RTCP功能的多軸機床

如圖2所示，帶RTCP功能的情況下，控制系統(tǒng)只改變刀具方向，刀尖位置仍保持不變。X，Y，Z軸上的運動通過控制系統(tǒng)進行坐標補償。

圖1 不帶RTCP功能的多軸機床

圖2 帶RTCP功能的多軸機床

東汽葉片分廠引進的多臺XKH800和XKH1600機床是由北京機電研究院生產，主要用于汽輪機葉片加工的轉臺擺頭式銑床。平動軸為X、Y、Z，轉動軸為A、B。主軸端面在旋轉中心之下。刀具軸最大回轉角度大約在50°以內。該類機床的控制系統(tǒng)為Sinumerik 840D，但不帶RTCP模塊。面向機床，右手方向為X軸正向，工作臺向外為Y軸正向，刀具軸向上為Z軸正向。A軸正向滿足右手螺旋法則，B軸順時針為正，如圖3所示。

圖3 機床坐標系

2 RTCP技術簡介及優(yōu)勢

RTCP是 “Rotational Tool Center Point” 的縮寫，意思是 “旋轉刀具中心”。也有稱之為TCPM技術。

假設以手動方式定點執(zhí)行RTCP功能，刀具中心點和刀具與工件表面的實際接觸點將維持不變，此時刀具中心點落在刀具與工件表面實際接觸點處的法線上，而刀柄將圍繞刀具中心點旋轉，對于球頭刀而言，刀具中心點就是數(shù)控代碼的目標軌跡點。該功能最大的好處是一個數(shù)控加工程序可以在工廠中不同的機床上使用，盡管這些機床的軸心偏差各不相同。另外，由于RTCP控制的是刀心軌跡，因而與刀具長度無關。更換刀具后，只需要修改機床中的刀具長度參數(shù)，就可以繼續(xù)使用原有數(shù)控程序進行加工。使用RTCP，軸心偏差、刀長參數(shù)都存儲在控制系統(tǒng)中，數(shù)控程序與后置無關，因而真的可以做到一次編程多處使用的效果。雖然RTCP具有諸多優(yōu)點，然而作為數(shù)控系統(tǒng)的高端模塊，很多國產五坐標機床卻沒有配置此功能。沒有此模塊的五軸機床由于軸心偏差不同，意味著相同制造廠商甚至型號完全一樣的機床之間，數(shù)控程序也無法通用。另外，如果在加工過程中刀具出現(xiàn)了磨損或者更換，則程序需要重新后置處理才能使用。這給實際生產帶來了極大不便。

3 五軸機床實現(xiàn)類似RTCP功能的原理

由五軸機床運動學公式可知，要想實現(xiàn)加工程序和機床結構無關，就要求擺長參數(shù)不能是一臺具體機床的結構數(shù)值，因此需要解決擺長參數(shù)可變的問題。聯(lián)想到機床的控制系統(tǒng)有很多存放參數(shù)的寄存器，通過查閱Sinumerik 840D相關手冊發(fā)現(xiàn)可以通過刀具軸回轉半徑參數(shù)$MC_TRAFO5_BASE_TOOL_1和刀具長度參數(shù)$TC_DP3[$P_TOOLNO,1]來存放每臺機床的刀具軸回轉半徑和刀具長度。這樣在加工程序里直接調用這兩個參數(shù)就可以保證程序本身與機床的無關性。由于XKH800和XKH1600均為A-B型的五軸數(shù)控機床，其運動學公式完全一樣。為減小加工程序，增加程序的可讀性，需要使用Sinumerik 840D的子程序功能。

主程序格式：

子程序格式：

4 結束語

通過對北機院XKH系列機床的深入研究，結合Sinumerik 840D的系統(tǒng)功能，找到了一種通過參數(shù)化編程來實現(xiàn)控制系統(tǒng)參數(shù)調用，模擬RTCP功能中與機床具體結構參數(shù)和刀具長度無關的功能。經過測試，證明該方法完全適用于東汽葉片分廠XKH800、XKH1600系列機床進行實際加工。由于實現(xiàn)了 “一次編程，多機通用”的功能，縮短了生產調度、技術準備時間。國產五軸數(shù)控機床的加工費用普遍在￥200/h以上，應用此技術方案可以減少生產調整和機床空置時間，具有很高的經濟效益。此外，該技術手段實現(xiàn)了程序和機床參數(shù)的關聯(lián)，不但減少了刀具長度手工測量錯誤的發(fā)生，而且方便了校模調試和批量加工時的尺寸調整，減少了因此造成的產品質量損失，節(jié)約了成本。最后，該方法作為一種通用的技術方案，完全可以擴展到其它型號的數(shù)控機床，具有較高的推廣價值。

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